超薄壁瓦楞板的超声辅助辊弯成形机理及回弹离散度控制方法研究

Corrugated sheets are key components in the manufacture of metal honeycomb structures. At present, there is a problem that the springback scatter is large when foil ultra-thin wall corrugated sheets is formed by roll bending, which restricts the improvement of honeycomb structure lightweighting. In this project, an ultrasonic assisted roll forming process is proposed, which is intended to reduce the influence of individual grain heterogeneity by using the acoustic softening effect of ultrasonic energy field to achieve the control of springback scatter. By investigating the influence of ultrasonic vibration parameters and grain size on the mechanical properties and microstructure of titanium alloy foils, the quantitative characterization method of individual grain heterogeneity including orientation, position, and shape was proposed, and the grain composite model under ultrasonic energy field was established based on individual grain heterogeneity. The effect mechanism of ultrasonic energy field on microstructure evolution, macroscopic deformation behavior and springback scatter in foil roll forming was investigated, thus revealing the mechanism of ultrasonic assisted roll forming for ultra-thin wall corrugated sheets. Aiming at the specific ultra-thin wall corrugated sheet parts, the method of ultrasonic/fine grain synergistic control of springback scatter was proposed. By optimizing the process parameters, foils in the ultrasonic assisted roll forming could obtain the best softening effect and promote the precise forming of ultra-thin wall corrugated sheets. The research results provide a theoretical basis for solving the problem in controlling the springback scatter, and are of great significance to promote the development of ultrasound-assisted microplastic forming theory.

瓦楞板是制造金属蜂窝结构的关键零件。目前利用箔材辊弯成形超薄壁瓦楞板时存在回弹离散度大的问题，制约了蜂窝结构轻量化程度的提高。为此本项目提出超声辅助辊弯成形工艺，拟利用超声能场的声软化效应降低个体晶粒异质性的影响，实现对回弹离散度的控制。研究超声振动参数和晶粒尺寸对钛合金箔材力学性能和微观组织的影响规律，提出个体晶粒取向、位置和形状异质性的定量表征方法，以个体晶粒异质性为基础建立超声能场作用下晶粒复合模型；研究超声能场对箔材辊弯成形中宏观变形行为、微观组织演变和回弹离散度的影响机制，揭示超薄壁瓦楞板的超声辅助辊弯成形机理；针对具体超薄壁瓦楞板件，提出超声/细晶协同控制回弹离散度的方法，通过优化工艺参数，使箔材在超声辅助辊弯成形过程中获得最佳的声软化效果，实现超薄壁瓦楞板的精确成形。研究成果为解决回弹离散度控制的难题提供理论依据，对促进超声辅助微塑性成形理论的发展具有重要意义。

本研究设计了箔材的超声振动辅助拉伸实验、弯曲试验和辊弯成形装置，通过不同超声振动参数和尺寸参数下的钛箔材拉伸实验研究箔材均匀变形状态下的变形行为，然后利用超声辅助箔材进行弯曲实验研究非均匀变形条件下箔材弯曲回弹行为和箔材的辊弯成形工艺研究。最终得出如下结论：.（1）研发了超声振动能量的高效传递装置，通过在变幅杆末端开设U口，在拉伸上设计U形夹持端口，再利用夹紧螺栓锁紧变幅杆U口的方法实现了超声振动能量的高效传递。振动频率为20kHz，振幅在0µm-20µm之间。搭建了视频引伸计测量装置，利用数字图像关联技术（GOM）实现了箔材拉伸变形特征的采集；.（2）拉伸试验结果发现，晶界区域占比高的箔材对超声振动的能量吸收效率高，流动应力下降幅度大。超声振动使晶界能量水平提高，导致位错发射阻力减小，从而降低材料变形抗力；超声能场作用下不同轧向的钛箔材拉伸实验结果显示，施加一定参数的超声能场可以降低由于轧制方向引起的箔材成形性能各向异性；.（3）GOM箔材变形过程分析和拉伸断口SEM观察结果显示，超声振动对箔材拉伸变形的影响主要包含两方面：一方面是声软化效应引起的材料塑性增强，促进箔材集中变形区的转移分析；另一方面是机械振动引起的微裂纹的快速形成和扩展。当t/d值比较小时，施加过大的超声振动会引起材料的迅速断裂；.（4）分析了有、无超声振动作用下，不同t/d值箔材的流动应力规律，以超声能场作用下的个体晶粒流动应力为基础，构建了超声能场作用下箔材变形行为分析模型，能够精确描述超声能场作用下的箔材的塑性变形行为；.（5）研发箔材超声辅助弯曲成形装置，对箔材的弯曲回弹行为进行了研究。通过对超声能场作用下的钛箔板弯曲回弹规律的研究发现，通过在保压阶段增加保压压力、增加超声振幅均可以减小弯曲件的回弹，但在成形阶段施加超声振动对回弹的影响较小。施加保压压力和超声振动具有类似的效果，但保压压力容易引起微成形装置的不可逆损伤。.（6）通过对不同t/d值的箔材弯曲试样金相分析发现，当t/d值较小时，弯曲区域仅有几个晶粒，回弹离散度增大的根本原因是变形区域晶粒数量的减少，使得个体晶粒的异质性影响剧烈增强。.（7）研发了超声辅助辊弯成形装置，超声振动采用纵波传递方式施加于主动轮，成形速度：10mm~300mm/min，频率：20~30kHz，振幅：0~20um，施加超声振动前后，成形精度可达98%。